这是一份类型a的学术研究报告，介绍了一项关于蚯蚓在增强风化（enhanced weathering）实验中对土壤碳固存、阳离子交换和土壤CO2排放影响的研究。
作者及发表信息
该研究由Arthur Vienne（通讯作者）、Patrick Frings、Sílvia Poblador、Laura Steinwidder、Jet Rijnders、Jonas Schoelynck、Olga Vinduskova和Sara Vicca共同完成。研究团队来自多个研究机构，包括比利时安特卫普大学的生物基可持续工程研究组（Biobased Sustainability Engineering, University of Antwerp）、德国地球科学研究中心（GFZ German Research Centre for Geosciences）等。研究发表于2024年9月的《Soil Biology and Biochemistry》期刊（Volume 199, Article 109596）。
学术背景
增强风化（Enhanced Weathering, EW）是一种潜在的碳减排（Carbon Dioxide Removal, CDR）技术，其原理是通过加速硅酸盐岩石的风化过程，将大气中的CO2转化为稳定的碳酸盐矿物或溶解的无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC），以实现长期碳封存。然而，如何准确量化风化速率和碳封存效应仍是该领域的挑战。此外，土壤生物（如蚯蚓）可能通过物理和化学方式促进硅酸盐风化，但其具体机制和贡献缺乏定量数据。本研究旨在填补这一空白，通过中宇宙实验（mesocosm experiment）探究蚯蚓对玄武岩风化速率、碳封存的影响，并评估其对土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）和无机碳（Soil Inorganic Carbon, SIC）动态的影响。
实验设计与方法
实验设置
- 研究采用18个中宇宙（mesocosm）培养箱（尺寸56×39×28 cm），模拟真实土壤环境，实验持续137天。
- 土壤分为4种处理：无蚯蚓无玄武岩（S）、有蚯蚓无玄武岩（SEA）、无蚯蚓有玄武岩（B）、有蚯蚓有玄武岩（BEA），每组设置4-5个重复。
- 蚯蚓采用内源性种（Aporrectodea caliginosa）和深穴性种（Lumbricus terrestris），密度为136条/平方米，接近农田条件下的典型蚯蚓密度。
数据采集与分析
- 淋滤液分析：定期收集并测定淋滤液中的Ca、Mg、K、Si、Fe等离子浓度、总碱度（Total Alkalinity, TA）和溶解有机碳（DOC）。
- 土壤分析：实验结束后测量土壤阳离子交换容量（CEC）、SOC、SIC以及土壤团聚体分布。
- 硅同位素分析：利用δ30Si和Ge/Si比值评估粘土矿物形成情况，以判断风化机制。
- CO2排放监测：采用红外CO2分析仪测定土壤CO2排放通量（Soil CO2 Efflux, SCE）。
主要结果
玄武岩风化速率
- 玄武岩处理显著提高了淋滤液中的Mg、Ca浓度和总碱度，表明矿物风化速率增加。通过阳离子平衡计算，风化速率范围在10^-12 mol m^-2 s^-1，与其他玄武岩实验数据相符。
- 硅同位素（δ30Si）和Ge/Si比值显示，玄武岩处理促进了硅的溶解和次生黏土形成，表明风化并非仅通过物理破碎，还涉及生物地球化学过程。
碳封存效应
- 玄武岩处理减少了无蚯蚓土壤的CO2排放（约0.2 kg CO2 m^-2），这超过仅由无机碳封存（inorganic CDR equivalents）所解释的范围，表明可能影响了有机碳分解动态。
- 蚯蚓逆转了玄武岩对CO2排放的抑制效应，说明其通过刺激微生物活性和有机质分解抵消了无机碳封存的部分效果。
蚯蚓作用
- 蚯蚓未显著改变淋滤液中的δ30Si或Ge/Si比值，表明其对风化的影响主要通过物理机制（如生物扰动）而非直接的生物地球化学调控。
- 蚯蚓提高了土壤中可交换性Ca、Mg含量，但降低了淋滤碱度输出，说明其可能通过改变阳离子周转影响碳封存。
研究价值与结论
科学价值
- 首次量化了蚯蚓在增强风化中对碳固存的贡献，强调了有机碳动态在CDR评估中的重要性。
- 提出硅同位素（δ30Si）和Ge/Si可作为监测粘土形成的有效工具，拓展了风化研究的分析方法。
实际应用意义
- 研究显示，单靠矿物风化并不能直接反映实际碳封存量，土壤生物活动（如蚯蚓）可能显著改变CDR效果，这对未来大规模农业碳封存策略具有重要指导意义。
- 建议在EW监测中应综合评估阳离子交换、有机碳动态和CO2排放，而非仅依赖风化速率的理论计算。
研究亮点
创新方法
- 结合硅同位素（δ30Si）与阳离子平衡分析，提供了风化机制的新证据。
- 通过中宇宙实验模拟真实土壤环境，兼顾可控性和生态相关性。
关键发现
- 揭示蚯蚓通过加速有机质分解可能削弱玄武岩的碳封存潜力，这对EW技术的实际应用提出新的挑战。
- 证实土壤阳离子交换容量是评估长期碳封存的重要指标，而不仅是淋滤液成分变化。
对未来研究的建议
- 需进一步探索不同土壤类型、蚯蚓物种及长期实验下的风化-碳封存关系。